《激光产生的原》PPT课件.ppt

光电子技术,福州大学物理与信息工程学院 张永爱E-mail：,第二章 激光的产生及特性,激光(laser)是光的受激辐射光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)的缩写。爱因斯坦在1917年研究黑体辐射时，曾预言受激辐射的存在，直到1960年，梅曼制成世界上第一台激光器红宝石激光器。证明了爱因斯坦预言的正确性。,激光产生的原理,等同于能源,振荡器与激光器,激光器的三个主要组成部分,1.工作物质：,有合适的能级结构,能实现粒子数反转,2.激励能源：,使原子激发 维持粒子数反转,3.光学谐振腔,保证光放大,使激光有良好的方向性和单色性,激光器种类：,固体（如红宝石Al2O3:Cr，YAG:Nd)液体（如染料激光器）气体（如He-Ne，CO2）半导体（如GaAs、InGaN）,2、按工作方式分：,1、按工作物质分：,连续式脉冲式,3、按波长分：极紫外可见光红外/远红外,激光介质由掺杂于固体基质中的金属离子（也称激活离子）和基质所组成。工作物质的物理、化学性能主要取决于基质材料，它的光谱特性主要由激活离子的能级结构决定，但受基质材料的影响，光谱特性将有所变化，有的甚至变化很大。,固体激光器(Solid-state lasers),可作激活离子的元素有四大类：过渡族金属离子、三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、锕系离子，覆盖的波长275-3022nm。,工作物质：掺杂离子的绝缘晶体或玻璃,工作物质,基质材料分为玻璃和晶体两大类,常用的基质玻璃有：硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃,晶体有金属氧化物、氟化物、酸盐晶体,典型代表有红宝石、Nd3+：YAG、钕玻璃激光器,特点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐用等优点，广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面,固体激光器激励方式：光泵浦。,波长范围：紫外到红外,最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯、金属蒸气灯、卤化物灯、半导体激光器、日光泵等，日光泵适用于空间技术中的激光器。,用半导体激光二极管泵浦的固体激光器是90年代激光发展的主要方向之一，兼容了二者的优点，泵浦效率高，体积小、结构紧凑,固体激光器：由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却滤光系统四个主要部分组成,有连续工作和脉冲工作方式,红宝石激光器(Ruby Laser),红宝石是掺有少量Cr3+离子的Al2O3单晶。E1为基态，E2为亚稳态，E3是大量能级组成的能带。光放大在E2和E1间产生，相应波长为694.3nm。,三能级系统。,梅曼和第一只激光器,固体激光器,气体激光器:以气体或金属蒸气为工作物质,气体激光器的工作物质种类多，又能采用多种激励方式，所以覆盖的波段宽，从紫外到远红外波。是目前种类最多、激励方式最多样化、激光波长分布区域最宽、应用最广泛的一类激光器。,激励方式:气体放电和电子束激励,特点：输出光束的质量好,波长范围,He-Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成，放电管是He-Ne激光器的心脏，是产生激光的地方，放电管通常由毛细管和贮气室构成。,He-Ne(氦-氖)激光器,氦一氖气体激光器：原子激光器类，1961年实现激光输出，多采用连续工作方式，输出功率与放电毛细管长度有关；输出激光方向性好，（发散角达1mrad以下），单色性好（可小于20Hz），输出功率和波长能控制得很稳定,气体激光器,液体激光器,工作物质：有机染料溶液,波长范围：紫外到近红外,激励方式：光泵浦,特点,输出激光波长可调谐且调谐范围广；激光脉冲宽度窄；激光输出功率大；激光工作物质均匀性好；,液体激光器,半导体激光器,工作物质：半导体材料,波长范围：紫外到极远红外,激励方式：PN结注入电流激励；电子束激励；光激励碰撞电离激励,特点：超小型；高效率；结构简单；价格便宜；高速工作,半导体激光器,其它激光器,光纤激光器化学激光器气动激光器色心激光器自由电子激光器单原子激光器X射线激光器,应用,加工,钻孔（烧穿）：效率高，可加工硬质合金钻石等；,焊接（烧熔）：迅速，非接触，可在空气中进行；,切割（连续打孔）：如芯片电路的准确分割，调节精密电阻，绘制集成电路图，控制光栅刻机等。,利用激光高强度，良好的聚焦性（平行性）,应用,测量：准直，测距等,医疗：激光手术刀，血管内窥镜，致癌等,军事：激光制导，激光炮等,核技术：激光分离同位素、激光核聚变,应用,利用激光极好的相干性,精密测长、测厚、测角，测流速，定向，测电流，电压，激光雷达（分辨率高，可测云雾）,探测：微电子器件表面探测，单个原子探测,全息技术：全息存储，全息测量，全息电影、全息摄影等,激光光纤通讯：载波频率高（1011-1015Hz）信息容量大，清晰，功耗小，抗抗干拢性强,激光核聚变,激光核聚变靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。,激光焊接,高能激光（能产生约5500 oC的高温）把大块硬质材料焊接在一起,用激光使脱落的视网膜再复位,（目前已是常规的医学手术）,光盘存储,光纤通信,2.1 光的自发辐射与受激辐射,光的受激辐射概念的产生,普朗克1900年，辐射量子化假设；,波尔1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；,爱因斯坦1917年，提出受激辐射概念。,黑体辐射规律,H原子光谱实验规律,1.黑体辐射的Planck公式：,任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。,黑体：能够完全吸收任何波长的电磁辐射的物体。,热平衡状态：,黑体吸收的辐射能量=黑体发出的辐射能量,空腔辐射体,单色能量密度,在单位体积V内，频率处于v处的单位频率间隔内的电磁辐射能量E,Planck辐射能量量子化假说,黑体辐射Planck公式：,2.跃迁：,跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。,3.受激辐射,爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。,能级的简并度,同一能级可以对应若干能态，与一个能级相对应的能态数,定义,光与物质相互作用,一）自发辐射,自发辐射跃迁,定义,在没有外界电磁场辐射作用的情况下，处于高能态E2的一个原子可以自发向低能态E1跃迁，与此同时发射一个能量为E2-E1hv的光子,-由原子自发跃迁所发射光子,自发跃迁几率A21,定义,单位时间内，处于高能态的N2个孤立原子（原子间的相互作用忽略不计）中发生自发跃迁的原子数密度dN21/dt与总粒子数密度N2的比值,定义表达式,自发跃迁的过程只与原子本身性质有关，与外界辐射关，A21只决定于原子本身的性质，自发跃迁几率A21也称为爱因斯坦A系数。,减少率dN2,式中,N20是t=0时的N2值,是N20个原子在能态E2上的平均停留时间，也叫原子在能态E2上的平均寿命，数值上它等于自发跃迁几率倒数,二）受激辐射,受激辐射跃迁,定义,当存在外界电磁辐射时，原子系统与外界电磁辐射相互作用，处于高能态E2的原子在频率为 的辐射的作用下，可受激地从能态E2向能态E1跃迁，并发射一个能量为 光子,-由受激辐射跃迁发射光子,受激辐射跃迁几率W21,定义,单位时间内，处于高能态的N2个孤立原子（原子间的相互作用忽略不计）中发生受激跃迁的原子数密度dN21/dt与总的粒子数密度N2的比值,定义表达式,受激辐射除与原子性质有关，还与辐射场能密度,成正比,比例系数B21称为受激辐射跃迁爱因斯坦系数或爱因斯坦B系数，它只与原子性质有关。,三）受激吸收-由受激辐射的逆过程,受激吸收跃迁,定义,当存在外界电磁辐射时，原子系统与外界电磁辐射相互作用，处于低能态E1的原子在频率为 的辐射的作用下，可受激地从能态E1向能态E2跃迁，并发射一个能量为 光子,受激吸收跃迁几率：,：受激吸收跃迁爱因斯坦系数,只与原子本身性质有关,与原子本身性质和辐射场能量密度有关,受激吸收跃迁率W12,波尔兹曼公式,普郎克公式,四）爱因斯坦三系数之间的关系,四）爱因斯坦三系数之间的关系,自发辐射和受激辐射的不同点,自发辐射跃迁与受激辐射跃迁过程是两个不同的物理过程，它们所产生的辐射性质也不同，对于自发辐射来说，它是原子在不受外界辐射场的影响下产生的，而单个原子的自发辐射的相位是随机的，因此大量的自发辐射是不相干的。而与自发辐射不同的是，受激辐射是在外界辐射场的作用下产生的，受激辐射光子与激励光子具有相同的频率、相位、波矢和偏振状态，也就是说受激辐射光子与入射光子属于同一态的光子，因此受激辐射是相干的。,？,受激辐射光子与入射光子属于同一态的光子,？,受激辐射光子与激励光子具有相同的频率、相位、波矢和偏振状态,2.2 介质的增益和增益饱和,一）介质增益,波尔兹曼分布定律,N1和N2分别是能级E1和E2上的粒子数，g1、g2分别是能级E1和E2的简并度，k是波耳兹曼常数。,在光频区hvkT,正常分布 受激吸收 占主导 光衰减，吸收,反转分布 受激辐射 占主导 光放大 有增益,增益系数G描述光强经过单位距离后的增长率,介质的增益,定义：当某一频率为 的光束通过激活介质时，光通量 获得放大，即光强越强，意味着单位时间内从亚稳态向下跃迁的粒子数就越多，从而导致反转程度减弱，从而使增益系数 变小,增益系数不仅与集居数反转分布有关，还与光通量有关,二）增益饱和效应,2.3 光的受激放大和振荡,三能级模型,四能级模型,三能级模型,受激辐射,产生激光,（c）E2为亚稳态，寿命较长，新增加的粒子能够保持在E2上。,（b）E3态寿命极短，抽运到E3上的粒子很快通过非辐受驰豫跃迁到 E2上,减少的能量变成热运动能量。,（a）随着 V(p)迅速增加，E1上的粒子被快速抽运到E3上，N1迅速减少。,（1）三能级中，E1 为基态，E2 和E3为激发态，E2又是亚稳态。,（2）抽运过程,（d）N1 不断减少，新N3不断无辐射跃迁到E2上，N3始终少于N1，N1不断被抽运。,（g）工作物质最初的几个自发辐射光子也能引起受激辐射（自激式）。,（e）N2不断增多，加之原有的粒子，E2是亚稳态，能够实现。,（f）当有 的外来光激发时，便会发生受激辐射（外激式）。,（4）该系统效率不高的原因：,抽运前粒子几乎全部处于基态E1，只有激励能源很强、抽运很快。才能实现。,（3）梅曼（T.H.Maiman）于1960年制成的第一台红宝石激光器，就是一个三能级系统激光器。,E1、E2和E3是Cr3+离子在Al2O3晶格中具有的能级示意图，其中E1是基态，E2是具有较长寿命的能级，称为亚稳态，E3是由大量能级组成的能带。在热平衡状态下，处在基态E1上的集居数N1比处在亚稳态E2上的集居数N2大得多，即N1N2，（实际上N2约为0）。当氙灯激励红宝石棒时，大量基态Cr3+离子受激吸收跃迁到达能带E3内，因而E1上的粒子数N1减少，但Cr3+离子在E3上的寿命很短，它们很快通过非辐射驰豫过程（用S表示）跃迁到寿命较长的亚稳态E2上，其上就积累了大量的粒子，即N2不断增多，并在此寿命时间内暂时使N2偏离热平衡的波耳兹、曼分布，此过程称为氙灯的抽运（泵浦）过程。只有当氙灯的光强强到一定程度时，有可能暂时N2 N1，即达到集居数反转状态，这样，E2上粒子跃迁回到E1时，便产生受激辐射，从而产生激光。,四能级模型,（4）E4向E3上非辐射驰豫跃迁愈快，E2向E1上过渡愈快，工作效率愈高。,（1）四能级系统中，E1为基态，E3、E2和E4为激发态，E3又是亚稳态。,（2）在亚稳态E3和激发态E2之间实现粒子数反转。,（5）HeNe激光器是四能级系统。,（3）E2上粒子数本来很少，只要E3上粒子稍有增加，就会达到。,比如：HeNe激光器：632.8nm和1152.3nm,氩离子激光器：辐射的波长数更多，最强的是：488.0nm和514.5nm。,二、三或四能级图仅是简化模型激光工作物质的实际能级系统比较复杂，可以发射多种波长的激光。,5）实现粒子数布居反转的条件：,工作物质存在亚稳态，有激励源供给能量。,产生激光的能级是激发态E3和E2能级，在泵浦的作用使大量基态E1的Nd3+离子受激吸收跃迁到达能带E4内，但Nd3+离子在E4上寿命极短，很快通过非辐射驰豫过程（用曲线箭头S43表示）跃迁到寿命较长的亚稳态E3上。而能级E2的寿命又很短，进入该能态的粒子又很快非辐射跃迁（又S21表示）到基态，所以N2约为0，这样N3N2，在能态E3和能态E2间实现了集居数分布反转。三能级模型与四能级模型相比，在实现集居数分布反转上，要比四能级困难。,四能级与三能级模型的主要区别,？,实现能态集居数反转的条件,还必须使激活介质（实现能态集居数分布反转的工作介质）置于由两个反射镜（可以是平面或球面）所组成的谐振腔内，腔镜的作用是提供反馈。,损耗的损耗系数为,指光通过单位距离后光强衰减的百分数,激光振荡的条件：G（I）,条件为必要条件Why?,思考题,1、用三能级模型说明如何实现粒子分布反转状态？为什么说三能级系统实现能态集居数分布反转要比四能级系统困难？,2、工作物质能实现能态集居数反转分布的条条件？上述条件是必要条件还是充分条件？为什么？,3、自发辐射与受激辐射的根本差别？,4、何为增益饱和效应？,5、固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器的工作物质、激励方式及工作波长范围,2.4 光学谐振腔及激光模式,一）光学谐振腔,只要在有一定长度的光放大器两端放置两个反射镜形成光谐振腔。轴向光波模能在反射镜间往返传播。等效于增加放大器长度。光谐振腔的这种作用称为光的反馈。,1、定义,2、谐振腔结构,由两个球面反射镜组成共轴系统,即两镜面的轴线(镜面顶点与曲率中心联线)重合.,3、光学谐振腔的作用,（1）提供光的正反馈，实现光的受激辐射放大。,（2）使激光产生极好的方向性。,（3）使激光的单色性好。,提高激光的单色性,选择激光的方向性,维持光振荡,4、光学谐振腔的分类,共轴球面光学谐振腔,共轴球面镜,曲率半径为R1和R2的两个球面构成腔，腔长为L，两镜面曲率中心的连线构成系统的光轴。,由两个共轴球面镜构成,1）共轴球面镜腔的稳定性条件,傍轴光线能在腔内往返无限多次而不致于从侧面逸出及傍轴光线在腔内经历有限次往返后就横向逸出腔外的判别条件。,傍轴光线：在共轴球面系统中，若入射光线和出射光线靠近，且与主轴的夹角很小，则相应的光线称为傍轴光线,2、谐振腔的g参数,凹面镜 R 0;凸面镜 R 0;平面镜 R,1、RL参数,R1、R2：两镜面曲率半径，L：腔长,谐振腔的几何参数,或,傍轴光线能在腔内往返无限多次而不致于从侧面逸出腔外,或,傍轴光线在腔内经历有限次往返后必将逸出腔外,共轴球面腔的稳定性条件,2）共轴球面腔的分类,几何损耗的高低,特点：任意傍轴光线能在腔内往返无限多次而不致于横向逸出腔外，即在腔内传播的傍轴光线的几何损耗为零。,稳定腔,非稳定腔,或,特点：傍轴光线在腔内经历有限次往返后必将从侧面逸出腔外，因而有较高的几何损耗。,临界腔,或,判断谐振腔的稳定性(单位:mm),例,解,稳定,(1)R1=80,R2=40,L=100,非稳,(2)R1=20,R2=10,L=50,解,(3)R1=-40,R2=75,L=60,解,稳定,(4)R1=,R2=50,L=40,稳定,解,非稳,(5)R1=-20,R2=-10,L=50,解,非稳,(6)R1=,R2=-10,L=50,解,g与R的符号关系,激光器中常用光学谐振腔的结构形式,稳定腔因腔损耗小，适用于中、小功率激光器；非稳腔可用于大功率激光器中，其优点是模体积大，还可限制模式,稳区图,腔的稳定性是指腔的工作状态的稳定性吗？,所谓腔的稳定性，只是指傍轴光线能否在腔内往返无限次而不致于横向逸出，也就是腔内傍轴光束损耗的高低的问题。稳定腔是指腔的几何损耗低，因而对增益不太高的工作物质来说，用这种几何损耗低就比较容易起振。但对损耗高的非稳腔来说，如果工作物质的增益比较高，同样可以起振，并且达到稳定工作。,思考题,二）谐振腔模式,1、谐振腔纵模,由于激光器输出的每一个谐振频率的光，因其光强是沿纵向（腔轴方向）分布的驻波场。一般激光器是多纵模输出，如果采取措施，可以输出单纵模，大大提高激光色性。,F-P干涉仪,由两块具有一定反射率且相距为L的平行板构成,基本特征：对入射光束的频率具有选择性,透过率,当,透过率T最大,相位改变量,谐振条件,-F-P谐振频率,干涉仪纵模,不同的q值对应不同的纵模，相邻纵模的频率间隔为,纵模频率,定义,把F-P干涉仪中入射光的频率满足的平面驻波场。,激光在垂直于腔轴的横截面上形成的稳定的光强分布，称激光的横模。,2、谐振腔横模,TEMmnq-谐振腔中场的特征TEM-腔中的场是横电磁波q-轴向驻波节点数目mn-横向驻波波节的数目,模式表示方法及模式特征参数,不同的m、n值表示不同的横模即有不同的模式花斑,基(横)模 TEM00 光斑轴对称或旋转对称分布取决于增益介质的几何形状 增益介质的不均匀或腔内插入其它光学元件（布氏窗、反射镜等）会破坏腔的旋转对称性，出现轴对称横模。,3、圆形镜面共焦腔模式,（1）圆形镜面共焦腔模式在镜面上的场图分布,镜面上的极坐标,归一化函数,高斯函数,缔合拉盖尔多项式,L为腔长,确定共焦腔中横截面上场的振幅分布,描述共焦腔中场的相位分布,高斯函数因子,（2）圆形镜面共焦腔模式的空间分布,（1）光斑尺寸,（2）等相位面,通常定义半径rW(z)的圆为基模光斑的大小,当z=f=L/2时，,W0s为共焦腔基横模在镜面上的光斑尺寸或光斑半径,基模腰斑半径,等相位面曲率半径,共焦镜的焦距,2.5 激光器的输出特性,1）激光器的阈值条件,损耗：反射镜和腔内元件的散射和吸收损耗，衍射损耗、工作物质内部不均匀或吸收引起的损耗及激光器输出损耗等,总的损耗系数为,产生振荡,产生激光,阈值增益系数,振荡器的阈值条件,同一横模不同纵模具有相同的，因而具有相同的阈值；,不同横模具有不同的衍射损耗，因而具有不同的阈值，高阶横模的阈值比基模大；,阈值反转集居数密度：把dN/dt=0时所需的反转粒子数度,三能级系统,四能级系统,阈值泵浦能Eth,把激光器维持在阈值条件下所需的最小泵浦功率,阈值泵浦功率Pth,把激光器维持在阈值条件下所需的最小泵浦能量,短脉冲激光器,三能级系统,四能级系统,是实际激发到能级E3的粒子数与他们能跃迁到能级E2上的粒子数比，其比值小于1,h-普朗克常数,V增益介质的体积,n-总粒子数密度,泵浦光频率,连续激光器,三能级系统,四能级系统,工作物质的总量子效率,三能级系统所需的阈值能量比四能级系统大得多,？,四能级系统的激光下能级在基态之上，n2=0，只须将 个粒子激发到能级E3上就能使增益克服腔的损耗而产生激光；而在三能级系统中，激光的下能级是基态，因此至少须将 个粒子激发到能级E2上才能使增益克服腔的损耗而产生激光，而,所以三能级系统的阈值能量或阈值功率要比四能级系统大得多。,连续激光器,脉冲激光器,2）输出功率（能量）,-斜率效率,总体效率,定义为激光输出与光泵输入之比,光泵输入远远大于阈值时，即产生激光,3）模式-模体积,不同横模在腔内扩展的空间范围不同，把某一个模式在腔内所扩展的空间范围,模体积大，对该模式振荡有贡献的激发态粒子数多,模体积有贡献的激发态粒子数输出功率,例：（二氧化碳激光器）=10.6m,L=1m,2a=20mm=5.3cm3 V=314cm3/V=5.3/314=1.7%难以获得高功率,高阶模体积 模阶次，模体积,模的阶次高，扩展空间范围宽，模式体积大，高阶模体积VmnV00,4）激光束的发射角,基模光束有优良的方向性，高阶模的发散角随模阶次m,n而增大,光束方向性变差,例题,L=30cm的共焦腔He-Ne激光器，波长=0.6328um求,2.6 激光的特性,一）激光的空间相干性和方向性,激光为什么具有高度的空间相干性和方向性？,单基模结构和方向性考虑,从方向性来讲，单横模结构具有最好的方向性；如果是多横模结构，由于不同模式的光波场是不相干的，所以激光的空间性程度减小，而另一方面，多横模结构由于高阶模发射角增大而使方向性变差。,对于单基模结构，因为是同一模式的光波场与同一光子等效，所以同一模式的光波场是相干；,方向性好,激光束的发散角很小，一般为,激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的特点。,二）激光的时间相干性和单色性,相干长度,激光的单色性量度常用 比值 来表征,物理意义是在小于或等于相干长度范围内的任意两点间的光场都是完全相干的,激光高单色性，能极大提高各种光学干涉测量方法的精度和量限,激光的单色性,在普通光源中，单色性最好的是作为长度基准器的氪灯（K186）；它的谱线宽度为4.710-3纳米，而激光谱线宽为10-9纳米，为氪灯谱线宽度的5万分之一。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单色性。,计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。,光缆,相干性好,激光具有很好的相干性。,普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米，激光可达几十公里。,全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。,全息照相,三）激光的高强度,光子简并度-处于同一光子态的光子数,光波模式和光子状态是等效的，也就是说一种光波模式对应一个光子状态，因此同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的；,高的简并度是激光的本质，是区别普通光源的重要特点。,黑体辐射平均分配到每个模式的能量,黑体辐射源的光子简并度,激光的简并度,亮度高,亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率。,激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在180范围内的光集中到0.18 范围，亮度提高100万倍。通过调Q等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。,激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几百万度的高温。,激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。,激光打孔,激光切割,低能激光武器,高能激光武器,2.7 高斯光束及其光学变换,高斯光束,光学谐振腔激光器所发出的光波场规律呈高斯曲线分布，在波阵面上振幅分布是不均匀的,一）基模高斯光束,与传播轴线相交于z点的等相位面的光斑半径,与传播轴线相交于z点的等相位面的曲率半径,基模高斯光束的腰斑半径,高斯光束的共焦参数,基模高斯光束的特征参数,1.用w0(或f)及位置表征；已知 w0(或 f)w(z),R(z),等参数,2.用w(z)及R(z)表征;已知 w(z),R(z)w0,z,设,q(z)高斯光束的复数曲率半径,3.高斯光束的q参数,q 参数物理意义：同时反映光斑尺寸及波面曲率半径随z的变化,q 参数表征高斯光束的优点:将描述高斯光束的两个参数w(z)和R(z)统一在一个参数中,便于研究高斯光束通过光学系统的传输规律 高斯光束三种描述方法的比较,q0参数将w0和f联系一起,二）高斯光束的传输规律,1）高斯光束在自由空间的传输规律,由此可得,2）高斯光束通过薄透镜的变换,薄膜透镜成像规律,高斯光束经焦距F的薄透镜变换,即,薄透镜对高斯光束复数曲率半径与球面波曲率半径有相同的变换规律,已知F、l、w0,求通过透镜后,一）高斯光束聚焦,像方高斯光束腰斑的大小,a）F一定时，随 变化情况曲线图,设束腰放大率M（像方束腰大小与物方束腰大小之比）,即,当l=0时，不论透镜焦距多大，只要焦距大于0它总会有聚焦作用，且像距始终小于F，即像方腰斑位置在透镜后焦点以内。,当,时,透镜焦距F越小聚焦效果越好,透镜焦距F越小聚焦效果越好,高斯光束的聚焦方法,二）高斯光束的准直,改善方向性，压缩发散角,高斯光束的发散角,经薄透镜变换,a)单透镜对高斯光束发射角准直,因,所以,如何借助透镜改善高斯光束的方向性,？,b）用倒装望远镜对高斯光束准直,由上式可知，一个给定望远镜对高斯光束的准直倍率不仅与望远镜的本身结构有关，还与高斯光束的腰斑及腰斑与副镜的距离有关,三）高斯光束匹配,模匹配问题的提出：使一个激光谐振腔振荡的单模高斯光束注入到另一个谐振腔内能激发出相同的模式。（注入到光学系统的是基横模，激发的也是该光学系统的一个相应单模，使注入模的能量转变为激发模的能量）问题实质透镜变换,情况1：已知w0,w0,确定透镜焦距F及透镜的距离 l,l,同乘,若F 确定 便可确定 l,l(Ff0),情况2:两腔相对位置固定(即两个光腰之间的距离),及w0,w0确定,为了实现模匹配,F 如何选择,思考题,1）激光器的阈值条件？阈值泵浦功率和阈值泵浦能量,2）三能级系统所需的阈值能量要比四能级系统所需的大得多？,3）光学谐振腔的作用？（三种）,4）光学谐振腔有稳定腔和非稳腔之分，非稳腔是不是指工作状态不稳定的腔？为什么？,5）激光的四大特性,固体激光器,1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器,方向性好、单色性好、相干性好、高亮度,固体激光器的基本结构与工作物质,长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。,固体激光器的基本结构示意图,激光工作物质泵浦源聚光腔谐振腔冷却与滤光,输出能量大峰值功率高结构紧凑，牢固耐用,图 红宝石中铬离子的能级结构,0.6943um,0.6929um,优点:容易单模输出,缺点:阈值高且温度效应严重,红宝石激光器的优点和主要缺点。,机械强度高，容易生长大尺寸晶体,红宝石激光器,红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3)。如图所示。它属于三能级系统-简化能级模型,图 红宝石中铬离子的吸收光谱,0.55um,0.4um,掺钕钇铝石榴石(Nd3：YAG),工作物质:将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3).,图 Nd3:YAG 晶体的吸收光谱,图 Nd3:YAG 的能级结构,YAG中Nd3与激光产生有关的能级结构如图所示。它属于四能级系统。,优点:阈值低，具有良好的热学性质,固体激光器的泵浦系统,固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦光源多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。,2.常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物 质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能 完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。,泵浦光源应当满足两个基本条件,发光效率高辐射光的光谱特性应与激光工作物质的吸收光谱相匹配,图所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。,图 椭圆柱聚光腔,固体激光器的泵浦系统需要冷却。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。,泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。,焦线位置,焦线位置,固体激光器的输出特性,1.固体激光器的激光脉冲特性,2.转换效率,总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光 器(用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：,一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡 的短脉冲(或称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.1 1)s，各短脉冲之间的间隔约为(510)s。泵浦光愈强，短脉 冲数目愈多，其包络峰值并不增加。,可用调Q技术得到激光巨脉冲,新型固体激光器,1.半导体激光器泵浦的固体激光器,半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图,半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有 其主要优点,半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图a所示的端泵浦方式和图b所示的侧泵浦方式。,能量转换效率高工作时无功热量小、介质温度稳定、激光谱线更窄寿命长,结构简单,2.可调谐固体激光器输出波长可变化,可调谐固体激光器主要有两类：色心激光器用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。,3.高功率固体激光器,高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种 连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加 工应用所追求的目标。,关键技术：克服固体工作物质中的热效应,气体激光器,氦-氖(He-Ne)激光器,1.He-Ne激光器的结构和激发机理,He-Ne激光器的基本结构形式,He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种。,与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图,He-Ne激光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要有三条:3S2P 0.6328m2S2P 1.15m3S3P 3.39m,Ne原子的激光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。,2.He-Ne激光器的输出特性,(1)谱线竞争:He-Ne激光器三条强的激光谱线(0.6328m，1.15m，3.39m)中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜 反射镜的波长选择。,(2)输出功率特性:He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。图是实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线,输出功率与放电电流的关系曲线,He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流 若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳 pd值。在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。,1.CO2激光器的结构和激发过程,封离式CO2激光器结构示意图,图是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。,CO2激光器,CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图所示。,与产生激光有关的CO2分子能级图,跃迁几率大,2.CO2激光器的输出特性,相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2 激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。,(1)放电特性,CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40，这就是说，将有60以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。,(2)温度效应,Ar+离子激光器,1.Ar激光器的结构,Ar激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。如图所示为石墨放电管的分段结构。,分段石墨结构Ar+激光器示意图,2.Ar激光器的激发机理,Ar激光器与激光辐射有关的能级结构如图所示,与产生激光有关的Ar+的能级结构,3.Ar激光器的工作持性,Ar激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个 阈值电流。最强谱线:0.4880um,0.5145um,(1)多谱线工作,(2)输出功率与放电电流的关系,由于Ar激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同，图示出了其间的关系曲线。,Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线,染料激光器,染料激光器的激发机理,1.染料分子能级,染料分子能级图是如图所示的准连续态能级结构。,染料分子能级图,2.染料分子的光辐射过程,如图所示染料的吸收-荧光光谱图,染料的吸收-荧光光谱图,3.染料分子的三重态“陷阱”,染料激光器的泵浦,1.闪光灯脉冲泵浦,泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。,2.激光脉冲泵浦,能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器(0.337m)，红宝石激光器(0.6943m)，YAG激光器(1.06m)，铜蒸气激光器(0.5106m、0.5782m)，准分子激光器(主要在紫外区)以及这些激光的二次、三次谐波等。,Nd:YAGBrilliant B,Dye LaserTDL-90,Laser SourceTunable Dye Laser Pumped By Nd:YAG Laser,Alignment of the dye laser Optics,染料激光器的调谐,1.光栅调谐,图是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G具有扩束和色散作用。,光栅-反射镜调谐腔,2.棱镜调谐,图是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的棱镜是一种色散元件。,棱镜调谐腔,半导体激光器,半导体的能带和产生受激辐射的条件,1.在一个具有N个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为N个能级，因此这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图,固体的能带,2.纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图,本征半导体的能带结构,3.热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能级E被电子占据的几率为,4.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问题，图给出了温度极低时的情况。,5.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频率满足,费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系,PN结和粒子数反转,1.P-N结的双简并能带结构,把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？,未加电场时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平，如图所示。,PN能带,在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级 和，称为准费米能级，如图所示。,正向电压V时形成的双简并能带结构,2.粒子数反转,产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。,激光器在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率为,价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算,价带顶电子占据几率则为,在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是,1.半导体激光器的基本结构和工作原理,图 GaAs激光器的结构,半导体激光器的工作原理和阈值条件,图示出了GaAs激光器的结构。,2.半导体激光器工作的阈值条件,激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件,增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质,3.半导体激光器的阈值电流,在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡,同质结和异质结半导体激光器,1.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性,图 GaAs激光器的伏安特性,伏安特性:与二极管相同，也具有单向导电性。,阈值电流密度:影响阈值的因素很多,方向性:图给出了半导体激光束的空间分布示意图。,图 激光束的空间分布示意图,光谱特性:图是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。,图(5-31)GaAs激光器的发射光谱,转换效率 直接将电功率转换为光功率，转换效率极高,外微分量子效率:,功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比,单异质结半导体激光器,双异质结半导体激光器,图同质结、异质结结构示意图,2.异质结半导体激光器,高亮度半导体激光器,小功率半导体激光器,小功率光纤耦合半导体激光器,大功率光纤耦合输出的半导体激光,光通信系统固体激光泵浦医疗、微加工、打标、照明、激光打印机、全息照相、激光准直、测距等领域,超小型高效率结构简单价格便宜,其他激光器,准分子激光器,1.准分子激光器的特点,图准分子的能级结构,能级结构有明显的特点。如图所示，A表示较高激发态，B表示激光上能级，C表示基态。,由于基态寿命很短，即使是超短脉冲情况下，基态也可认为是空的，因此准分子体系对产生巨脉冲特别有利。,激光下能级是基态，基本上没有无辐射损耗。因此量子效率很高，这是准分子激光器可能达到高效率的主要原因。,由于激光下能级的离子迅速离解，因而拉长脉宽和高重复率工作都没有困难。,由于准分子的荧光光谱为一连续带，故可做成频率可调谐器件。,2.准分子激光器的泵浦方式,电子束泵浦,快速放电泵浦 快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱(Blumlein)电路,横向泵浦 纵向泵浦 同轴电子束泵浦,小型